رکورد جدید: ارتباط فضایی سریع‌تر با گیرنده‌ حساس‌تر!

پیشرفت‌های جدید در ارتباطات فضایی با استفاده از لینک‌های نوری

در زمینه اکتشافات فضایی، لینک‌های نوری با فاصله طولانی اکنون امکان انتقال تصاویر، فیلم‌ها و داده‌ها از فضاپیماها به زمین را با استفاده از نور فراهم می‌کنند. برای اینکه سیگنال‌ها به طور كامل به مقصد برسند و در طول مسیر دچار اختلال نشوند، به گیرنده‌های فوق حساس و تقویت‌کننده‌های بدون نویز نیاز است. اکنون محققان دانشگاه تکنولوژی چالمرز در سوئد سیستمی را ایجاد کرده‌اند که با استفاده از یک تقویت‌کننده بی‌صدا و گیرنده‌ای با حساسیت رکوردی، راه را برای ارتباطات فضایی سریع‌تر و بهبود یافته هموار می‌کند.

مزایای استفاده از پرتوهای لیزری در ارتباطات فضایی

سیستم‌های ارتباطی فضایی به طور فزاینده‌ای بر پایه پرتوهای لیزری نوری به جای امواج رادیویی استوار هستند، زیرا نشان داده شده است که از دست دادن سیگنال هنگام استفاده از نور برای انتقال اطلاعات در فواصل بسیار طولانی کمتر است. اطلاعاتی که با نور منتقل می‌شوند نیز در طول سفر قدرت خود را از دست می‌دهند و بنابراین سیستم‌های نوری برای ارتباطات فضایی به گیرنده‌های فوق‌العاده حساسی نیاز دارند که قادر به شناسایی سیگنال‌های به شدت تضعیف شده باشند تا در نهایت به زمین برسند.

فرصت‌های جدید ارتباطی در فضا

مفهوم محققان چالمرز برای ارتباطات نوری فضایی، فرصت‌های جدیدی برای ارتباط و کشف در فضا ایجاد می‌کند. پیتر آندرسون، استاد فتونیک در چالمرز و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه که به تازگی در نشریه علمی Optica منتشر شده است، می‌گوید: “ما می‌توانیم یک سیستم جدید برای ارتباطات نوری با گیرنده‌ای حساس‌تر از آنچه قبلاً در نرخ‌های داده بالا نشان داده شده است، ارائه دهیم. این به این معنی است که می‌توانید انتقال اطلاعات سریع‌تر و بدون خطا را در فواصل بسیار طولانی انجام دهید، برای مثال زمانی که می‌خواهید تصاویر یا ویدیوهای با وضوح بالا را از ماه یا مریخ به زمین ارسال کنید.”

تقویت‌کننده بی‌صدا و بهبود ارتباطات

سیستم ارتباطی محققان از یک تقویت‌کننده نوری در گیرنده استفاده می‌کند که سیگنال را با کمترین نویز ممکن تقویت می‌کند تا اطلاعات قابل بازیافت باشد. درست مانند درخشش یک چراغ قوه، نور از فرستنده با فاصله گسترش می‌یابد و تضعیف می‌شود. بدون تقویت، سیگنال پس از پرواز فضایی به قدری ضعیف می‌شود که ممکن است توسط نویز الکترونیکی گیرنده محو شود. پس از بیست سال تلاش برای مقابله با نویز مزاحم که سیگنال‌ها را مختل می‌کرد، تیم تحقیقاتی چالمرز چند سال پیش موفق به نمایش یک تقویت‌کننده نوری بدون نویز شد.

استفاده عملی از تقویت‌کننده‌های بی‌صدا در ارتباطات نوری

تا به امروز، تقویت‌کننده‌های بی‌صدا نتوانسته‌اند به‌طور عملی در لینک‌های ارتباطی نوری مورد استفاده قرار گیرند، زیرا این فناوری نیازهای کاملاً جدید و به‌مراتب پیچیده‌تری را برای فرستنده و گیرنده ایجاد کرده است. با توجه به منابع محدود و فضای کم در یک کاوشگر فضایی، مهم است که فرستنده تا حد ممکن ساده باشد.

با اجازه دادن به گیرنده در زمین برای تولید دو از سه فرکانس نوری مورد نیاز برای تقویت بدون نویز و در عین حال اجازه دادن به فرستنده برای تولید تنها یک فرکانس، محققان چالمرز توانستند برای اولین بار تقویت‌کننده بدون نویز را در یک سیستم ارتباط نوری پیاده‌سازی کنند. نتایج نشان‌دهنده حساسیت فوق‌العاده‌ای است، در حالی که پیچیدگی در فرستنده نسبتاً کم است. این تقویت‌کننده نوری حساس به فاز به‌طور اصولی هیچ نویز اضافی تولید نمی‌کند، که به حساسیت بیشتر گیرنده کمک می‌کند و امکان انتقال داده بدون خطا را حتی زمانی که قدرت سیگنال پایین‌تر است، فراهم می‌آورد. به جای آنکه دو موج اضافی با فرکانس‌های مختلف در فرستنده تولید شود، اکنون می‌توان از یک فرستنده لیزری معمولی با یک موج برای پیاده‌سازی تقویت‌کننده استفاده کرد. ساده‌سازی ما در فرستنده به این معنی است که فرستنده‌های نوری موجود در ماهواره‌ها و کاوشگرها می‌توانند به همراه تقویت‌کننده بدون نویز در یک گیرنده در زمین استفاده شوند.

رسموس لارسن، پژوهشگر فوق دکتری در حوزه فوتونیک در چالمرز و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: “این پیشرفت به این معناست که تقویت‌کننده‌های بی‌صدا می‌توانند در نهایت به‌طور عملی در لینک‌های ارتباطی بین فضا و زمین مورد استفاده قرار گیرند.” این سیستم به‌طور بالقوه می‌تواند به حل یک مشکل معروف در میان آژانس‌های فضایی امروز کمک کند. ناسا از ‘گلوگاه بازگشت علمی’ صحبت می‌کند و در اینجا سرعت جمع‌آوری داده‌های علمی از فضا به زمین عاملی است که مانع زنجیره می‌شود. ما معتقدیم که سیستم ما یک گام مهم به جلو به سمت یک راه‌حل عملی است که می‌تواند این گلوگاه را حل کند.

گام بعدی برای محققان، آزمایش سیستم ارتباط نوری با تقویت‌کننده در مطالعات میدانی در زمین و سپس در لینک‌های ارتباطی بین یک ماهواره و زمین است. توسعه این فناوری در دانشگاه چالمرز انجام شده و این تحقیق توسط شورای تحقیقات سوئد تأمین مالی شده است.